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2025年01月03日

）流体光学元件可以集成到诸如智能眼镜的可穿戴设备中。有缘和连续可调的流体光学元件可以并入诸如头戴式显示器之类的光学装置的光学光圈中，并且可以用于自由空间光束转向，形成传输面光栅或为波导提供耦入/耦出。

在一份专利申请中，Meta提出了一种包含凝胶的有源流体光学元件。

有源流体光学元件可包括设置在电极上或电极对之间的流体双分子层。流体双分子层可包括液体层和低模量凝胶层。流体光学元件进一步包括设置在所述流体双分子层表面之上的初级电极。

通过对一个或多个电极施加电压，可以利用介电电泳原理操纵流体界面的几何形状，从而控制双层对入射光的光学响应。作为示例，在施加电压时，可以将流体层配置为形成交替的第一和第二流体层的周期光栅。这种光栅的螺距可以连续或离散步长可调，步长大小取决于电极结构。

用于凝胶层的材料可包括各种硅胶和胶原。液体层和凝胶层可以互不混溶，而各自的流体在其折射率和介电常数方面可能表现出非零的差异。

凝胶可以由聚合物的混合物通过物理连接或化学交联形成。凝胶可以包括含有大量液体溶剂或其它流体的交联三维聚合物网络。在光或热催化剂的存在下，预聚物可通过光固化或热固化形成交联聚合物网络。

根据进一步的实施例，凝胶可包括无溶剂聚合物网络，其具有连接到聚合物主链的高密度高分子量侧链。

流体光学元件可包括气凝胶、液凝胶或甚至凝胶-凝胶双层结构。低模量凝胶的特征可以是弹性模量小于约50kpa，例如小于10kpa或小于1kpa。

有源流体光学元件可以设置在透明基板上或夹在透明基板之间。透明基板可以是平面的或非平面的，并且可以具有小于约500微米的厚度，例如小于约400微米，或小于约300微米。基板可以包括电气通孔互连和/或键合垫，以用于与一个或多个附加组件集成。

在一个实施例中，在流体双层和一个或多个电极之间可以插入固体介电材料层。固体介电层可以配置为在施加电压的作用下衰减在流体双层上产生的电场，并相应地影响驱动界面的形状。

固体介电层可包括任何合适的介电材料，包括有机和无机组合物。例如介电材料包括HfO2、Si3N4、SiO2、TiO2、Nb2O5等。在一个实施例中，介电层可以具有小于约2微米的厚度。固体介电层可以表征为均匀层或非均匀层，例如，包括具有不同介电常数的两种或更多介电材料。固体介电层可以是光学透明的，而固体介电层和相邻电极之间的折射率之差在550nm处可以小于约0.2。

在一个实施例中，有缘流体光学元件可以包括表面改性层。表面改性层可以包括离散层（薄膜）或可以表征为固体表面的表面处理。例如，薄膜或表面处理可用于修改固体表面的亲水性和/或亲油性。

在一个实施例中，双层内的流体层可以包括表面活性剂。特别合适的表面活性剂包括两亲性化合物。

在一个实施例中，可以在双分子层施加电压，以有效地将边界的第一形状改变为第二形状并修改双分子层的光学响应。可以使用各种驱动方案对一个或多个电极施加偏置。另外，驱动方案可以与显示器同步。

根据进一步的实施例，可以通过测量施加到电极的电荷、测量由电压驱动器产生的电流或测量从电极到地或相邻电极之间的阻抗来监视/控制驱动状态。

图1示出具有不同成对电极结构的有缘流体光学元件示例。有缘流体光学元件各包括流体双层，其第一层150a与第二层160a接触，流体双层夹在第一电极层140a和第二电极层140b之间。例如，第一层150a可以包括凝胶，第二层160a可以包括液体，反之亦然。

图1A，流体光学元件包括平面底电极层140a和上覆的图案化上电极层140b，各连接到电压源110。在备选配置中，顶部和底部电极可以包括共扩展线性阵列（图1B）。在进一步的替代配置中，顶部和底部电极可以包括倾斜线性阵列（图1C）。参考图1D，顶部和底部电极可以包括图案化的二维阵列。在图1D实施例中，可在第一层150a和第一电极层140a上设置下介电层130a，在第二层160a和第二电极层140b上设置上介电层130b。

图2示出有缘流体光学元件的示意图横截面视图。有缘流体光学元件200包括流体双层，其第一层250a和第二层260a直接覆盖在第一流体层250a上。第一层250a可以包括凝胶，第二层260a可以包括液体。底部和顶部平面电极240a、240b分别设置在第一和第二层250a、260a的表面上，并电连接到电源210上。

参照图2A，在关闭电源（220a）的无偏态下，可以通过光学元件传输示例输入光线270并作为未衍射或基本上未衍射的输出光线280a出现。如图2B所示，接通电源（220b）后，凝胶界面处的不稳定性可将第一层和第二层250a、260a重新配置为对齐的柱状结构250b、260b，柱状结构可桥接电极间隙并形成二相光栅。输入光线270可在二相光栅处衍射。

图3示出另一有缘流体光学元件的截面视图。有缘流体光学元件300包括具有第一层350和直接覆盖第一层350的第二层360的双层。第一层350可以包括凝胶，第二层360可以包括液体。流体双层覆盖在具有接地元件330和动力元件340的结构化电极上。

如图3A所示，在无偏置状态下，输入光线370可以通过光学元件传输，并作为无衍射或基本无衍射的输出光线380a出现。参考图3B，当对结构电极施加偏压时，表面张力和静电力之间的竞争可能会在界面320b中产生正弦调制，并可能近似于正弦相位光栅调制，其中调制幅度与波长比可能小于约3。随着调制幅度的增大，越来越多地包含高次谐波。换句话说，施加的电压可以诱导界面的三维共形修正并产生期望的光学响应。

在所示实施例中，第一层350的介电常数可以大于第二层360的介电常数，使得第一层可以优先被电极之间较高的电场梯度所吸引。所以，输入光线370可以在正弦相位光栅处衍射并作为输出光线出现，包括零阶输出光线380b和一阶输出光线380c、380d。

再看图4，在正弦调制的例子中，可以直观地看到修改后的液凝胶界面振幅对不同衍射阶法向入射透射的影响。

图5示出另一个有缘流体光学元件。有缘流体光学元件500可包括流体双层，其第一层550a和第二层560a直接覆盖在第一层550a上。例如，第一层550a可以包括凝胶，第二层560a可以包括液体。流体双层设置在下电极和上电极之间。下电极可包括具有接地元件530和动力元件540的结构化电极，上电极可包括平面电极520。在无偏置状态下，第一和第二层550a、560a之间的接口520a可以是平面的或基本上是平面的。

将流体双层置于上下电极之间可导致相对于图3所示实施例的界面调制波长加倍，其中可将较高的介电介电常数分量吸引到平行板对电场贡献最强的位置。

参考图5B，在施加偏压的情况下，表面张力和静电力可以在界面520b中产生正弦调制。对于给定的施加电压，顶部电极的结合可以增加正弦调制的幅度，如图6所示。

图7示出，以第一层和第二层介电常数之差作为正弦界面调制的幅度，正弦界面调制的幅度可以作为施加电压的函数连续调谐。

图8示出，可以通过相对于底部结构电极平移（即错置）顶部结构电极来移动流体-凝胶界面上的调制最大值。另外，这种结构可以用来引入接口调制形状的不对称性。空间偏移量可以在制造过程中定义和调整。

参考图8A，底部和顶部结构电极共展，而在图8B中，顶部电极移动了大约三分之一的电极间距，导致界面调制最大值的相关移位，并随之引入了远离正弦的不对称。在本实施例中，顶部结构电极处于一个电势，底部结构电极处于不同的电势。

在另一个实施例中，结构电极可以单独寻址并驱动到不同的电势，以允许形成目标调制波长和调制不对称。在另一个实施例中，电位可以暂时偏移以促进目标调制波长和调制不对称的形成。

图9示出与移位调制最大值有关的进一步实施例。在图9中，有源流体光学元件900包括双层，其第一层950和第二层960被底部电极和顶部电极共同夹在中间。例如，第一层950可以包括凝胶，第二层960可以包括液体。所述上电极940a可包括平面电极，所述下电极可包括单独可寻址的电极940b、940c和940d。

对于不同的示例，施加到电极940b、940c和940d的电位如图9B所示。在图9C中，可以使用不同电压的应用来移动界面调制的最大值。

根据进一步的实施例，可以引入调制不对称以将衍射效率提高到一定的衍射顺序。图10示出光栅如何改变两个一阶衍射模式，使衍射偏向于+一阶而不是−一阶。

图11示出层形成柱状而不是有限稳定波幅。另外，通过改变电极宽度，同时保持相邻电极中心之间的间距固定，可以控制单个流体和凝胶柱的形状，如图12所示。

参考图13，可以通过相对于底部电极阵列1302偏移顶部电极阵列1301来形成不对称流体/凝胶柱。柱的倾斜角可以通过增加顶部和底部电极阵列1301、1302之间的横向偏移来增加。

另外，通过改变电极宽度，同时保持相邻电极中心之间的间距固定，可以控制单个柱的形状，如图14A和14B所示。

图15示出，电极放置导致沿两个平面内方向调制的波剖面。电压可以加到电极1501上，而电极1502可以保持在零电位。电极的其他位置可以实现相同的波剖面。在所示实施例中，沿两个平面内方向（x和y）的波长相同，但可以变化。

对于不同的实施例，重力对垂直定向的流体双层的影响如图16所示。在一个实施例中，重力可以通过垂直电压梯度来补偿。如果较轻的双层材料与较重的材料相比具有较高（较低）的相对介电常数，则这种电压可能沿重力方向增加（降低）。

适于控制流体光学元件的脉宽调制和脉码调制范例如图17所示。参考图18，所示图例显示了改变调制波长对例如流体光学元件的瞬态开启时间的影响。

在非均匀电场作用下，介质润湿和接触角连续调谐的影响如图19所示。

图20示出另一有缘流体光学元件的透视图。参照图20A的无偏态，有缘流体光学元件2000包括具有第一层2010和直接位于第一层2010下面的第二层2020的双层。例如，第一层2010可以包括液体，第二层2020可以包括凝胶。相对的互指电极2030和2040位于装置的相对两侧。

在偏置状态下，如图20B所示，除了靠近电极的2070、2080区域之外，流凝胶界面可以基本上为平面，从而形成流体棱镜。在所描述的实施例中，可以通过对电极阵列2030和2040施加不同的电压来调节棱镜顶点角，从而使两侧的润湿角之和为180°。输入光线2050a可通过流体棱镜传输并作为折射的输出光线2050b出现。

参考图21，可以使用在左右电极阵列2030和2040施加一定的电压组合来产生流体棱镜顶点角的连续变化。

图22示出包括液体-凝胶双分子层的有缘光学元件。在双分子层的相对两侧上设置分段的和单独可寻址的电极。在无偏态下，液体层和凝胶层之间的界面可以是平面。但当施加特定电压（V1-V4）时，界面可能会变形，从而形成周期光栅结构。

在一个实施例中，所施加的电压图案可以产生具有电极间距的整数倍或甚至非整数倍波长的光栅。另外，与液-液双分子层系统相比，液-凝胶双分子层的表面张力可以更广泛地改变，而不会影响光栅的性能。这可能是由于液体和凝胶之间的静电力被凝胶层内的表面张力和内力平衡。

凝胶模量对电压感应光栅结构振幅的影响如图23所示。在相同的施加电压下，凝胶模量越低，光栅振幅越大（A1>A2）。

总的来说，专利描述的有源光学元件包括电极流体双分子层。所述双层可包括液体层和定义其之间界面的凝胶层。在施加到一个或多个电极上的电压的影响下，产生的电场可能会引起界面形状的共形变化，并随之改变流体双层对入射光的光学响应。

在双分子层中掺入低模量凝胶可以有利地抑制重力排水并防止在操作期间产生不需要的光学伪影。这种有源光学元件可以连续可调和可操作。

光学元件可包括夹在流体双层中的单个电极或成对电极。所述电极可以是光学透明的，并且可以具有覆盖层或图案几何形状。

所述液体层和凝胶层可以包括任何合适的介电介质，并且可以具有密度相当但折射率和介电介电常数不同的特征。

固体介电层可插在流体双层和一个或多个电极之间。固体介电层可以配置成在施加电压的作用下衰减在双层层上产生的电场，并相应地影响界面的形状。所施加的电压可以是恒定的或可变。

在一个实施例中，可将有源光学元件并入显示系统，例如用于增强现实或虚拟现实设备的头戴式显示器。所述有缘流体光学元件可以提供自由空间光束导向，形成或构成传输面光栅，或为波导提供耦入/耦出。

相关专利

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Meta Patent | Gel-containing active fluidic optical element

名为“Gel-containing active fluidic optical element”的Meta专利申请最初在2023年1月提交，并在日前由美国专利商标局公布。